Lò cao là một ống lò khổng lồ chạy liên tục ngày đêm: quặng sắt, than cốc và đá vôi được nạp từ trên đỉnh, gió nóng hơn 1.000 °C thổi vào từ dưới chân, và khí CO sinh ra từ than cốc lấy dần ôxy khỏi quặng trên đường đi lên. Ở đáy lò, gang lỏng khoảng 1.450–1.500 °C và xỉ lỏng tách thành hai lớp, được tháo ra định kỳ. Một lò cao hiện đại thường chạy liên tục 15–20 năm mới dừng hẳn để xây lại lớp lót, vì tắt lò giữa chừng có thể làm gang đông cứng trong nồi lò.
Lò cao trông như thế nào và gồm những bộ phận gì?
Nhìn từ ngoài, lò cao là một tháp thép cao vài chục mét, quấn chằng chịt ống dẫn, bên cạnh là ba bốn tháp tròn thấp hơn. Bên trong vỏ thép là lớp gạch chịu lửa và các tấm làm mát bằng nước. Theo chiều từ trên xuống:
| Bộ phận | Vị trí | Chức năng |
|---|---|---|
| Miệng lò | Đỉnh | Nạp liệu xen kẽ từng lớp, thu khí lò đi ra |
| Thân lò | Phần ống dài loe dần xuống | Quặng nóng dần và bị khí CO khử |
| Bụng lò | Chỗ rộng nhất | Quặng mềm ra, bắt đầu chảy |
| Hông lò | Thu hẹp phía dưới | Kim loại và xỉ nhỏ giọt xuống |
| Mắt gió | Vòng quanh phía trên nồi lò | Thổi gió nóng vào, than cốc cháy mạnh nhất ở đây |
| Nồi lò | Đáy | Chứa gang lỏng và xỉ lỏng; có lỗ tháo gang |
| Lò gió nóng | Các tháp đứng cạnh lò | Hâm nóng không khí trước khi thổi vào lò |
Lò gió nóng (lò Cowper, do Edward Cowper đưa ra năm 1857) là những tháp chứa đầy gạch chịu lửa xếp như tổ ong. Đốt khí lò cho gạch nóng lên, rồi đảo chiều, thổi không khí lạnh qua gạch nóng để không khí được hâm tới khoảng 1.000–1.250 °C. Các tháp thay phiên nhau: tháp này đốt nóng thì tháp kia cấp gió.
Bên trong lò cao, từng vùng nóng bao nhiêu và chuyện gì xảy ra?
Hai dòng đi ngược chiều nhau là chìa khoá: chất rắn đi xuống, khí nóng đi lên. Mỗi mẻ liệu mất khoảng sáu đến tám giờ để đi từ miệng xuống đáy lò; khí đi lên chỉ mất vài giây.
Vùng trên: sấy và khử gián tiếp
Ở miệng lò, khí đi ra còn khoảng 100–250 °C. Liệu mới nạp được sấy khô. Đi xuống tới vùng khoảng 400–900 °C, khí CO lấy dần ôxy khỏi quặng theo từng bậc: hematit (Fe₂O₃) thành manhetit (Fe₃O₄), rồi thành ôxit sắt II (FeO), rồi thành sắt. Phần lớn sắt được khử ở thể rắn trong vùng này, gọi là khử gián tiếp vì chất khử là khí CO chứ không phải than trực tiếp.
Vùng giữa: đá vôi phân huỷ, quặng hoá mềm
Khoảng 800–1.000 °C, đá vôi phân huỷ thành vôi sống, sẵn sàng kết hợp với tạp chất. Xuống thấp hơn, khoảng 1.100–1.300 °C, quặng đã khử phần lớn bắt đầu mềm và dính lại thành một vùng gọi là vùng hoá mềm – nóng chảy. Lớp than cốc xen giữa vẫn rắn, giữ những "cửa sổ" cho khí đi qua. Sắt ngấm cacbon từ than cốc, nhiệt độ nóng chảy tụt xuống, và nó bắt đầu nhỏ giọt.
Vùng dưới: mắt gió và nồi lò
Trước mỗi mắt gió, gió nóng gặp than cốc nóng đỏ, cháy dữ dội tạo một khoang lửa nhỏ nóng khoảng 2.000 °C trở lên. Đây là nơi nóng nhất trong lò. Khí CO₂ sinh ra lập tức gặp than cốc xung quanh và chuyển thành CO — chính khí CO này bay lên làm việc khử ở các vùng trên. Gang và xỉ lỏng nhỏ giọt qua lớp than cốc xuống nồi lò.
Vì sao gang và xỉ ra hai cửa khác nhau?
Trong nồi lò, gang lỏng nặng (khối lượng riêng khoảng 7 tấn/m³) chìm xuống, xỉ nhẹ hơn nhiều (khoảng 2,5–3 tấn/m³) nổi lên trên — giống dầu nổi trên nước. Lò cổ có cửa tháo xỉ riêng ở cao hơn; lò hiện đại thường tháo cả hai qua cùng một lỗ tháo gang, rồi tách nhau trên máng: xỉ nổi trên mặt được gạt sang một nhánh, gang đi tiếp nhánh khác.
Mỗi lần tháo, thợ dùng máy khoan mở lỗ tháo gang bịt bằng đất sét chịu lửa. Dòng kim loại sáng chói chảy ra máng, vào thùng chở gang trên toa xe lửa, đưa sang xưởng luyện thép. Xong, một máy bắn nút đất sét bịt lỗ lại. Lò lớn tháo gang nhiều lần mỗi ngày, có lò gần như liên tục luân phiên giữa các lỗ.
| Sản phẩm ra khỏi lò cao | Thành phần chính | Đi về đâu |
|---|---|---|
| Gang lỏng | Sắt với khoảng 4–5% cacbon, ít silic, mangan | Lò thổi ôxy để luyện thành thép |
| Xỉ lò cao | Ôxit canxi, silic, nhôm, magie | Làm nguội nhanh thành hạt, nghiền làm phụ gia xi măng, vật liệu làm đường |
| Khí lò | CO, CO₂, nitơ, bụi | Làm sạch rồi đốt cho lò gió nóng, phát điện |
Vì sao lò cao không được tắt?
Lò cao không có công tắc. Nếu ngừng thổi gió đột ngột, nhiệt độ ở nồi lò tụt xuống, gang và xỉ trong đó đông cứng lại thành một khối khổng lồ lẫn than cốc — dân trong nghề gọi là đông lò hay "lò bị đóng băng". Phá khối đông này rất khó và tốn kém, có khi phải dùng cách cắt từng phần hàng tuần liền.
Thêm nữa, lớp gạch chịu lửa chịu nhiệt liên tục; nguội đi rồi nóng lại khiến gạch co giãn, nứt vỡ. Vì vậy lò cao được thiết kế để chạy một chiến dịch dài: ngày nay thường 15–20 năm, có lò còn lâu hơn. Hết chiến dịch, lò mới dừng hẳn, tháo bỏ lớp lót cũ và xây lại.
Lò vẫn có thể tạm nghỉ ngắn ngày theo kế hoạch: người ta nạp thêm than cốc, giảm quặng, bịt kín các mắt gió để lò "ủ" lại, giữ nhiệt tối thiểu. Khi thị trường đi xuống, một số nhà máy chọn ủ lò như vậy thay vì tắt hẳn.
Lò cao đã thay đổi thế nào từ thời than củi tới nay?
- Thế kỷ 5–4 TCN: lò cao làm gang ở Trung Hoa cổ, bễ kéo tay, sau này có bễ sức nước.
- Thế kỷ 12–15: lò cao xuất hiện và lan rộng ở châu Âu, cao vài mét, chạy than củi.
- 1709: Abraham Darby I chạy lò bằng than cốc ở Coalbrookdale.
- 1828: James Beaumont Neilson thổi gió nóng, giảm mạnh nhiên liệu cần thiết.
- 1857: lò gió nóng Cowper với gạch tổ ong, gió nóng hơn nhiều.
- Thế kỷ 20: lò lớn dần, nạp liệu tự động, quặng thiêu kết và viên quặng thay quặng cục, phun than cám qua mắt gió để giảm than cốc.
- Hôm nay: lò lớn nhất có thể tích làm việc trên 5.000 m³, mỗi ngày cho hàng chục nghìn tấn gang.
Nguyên lý dòng ngược chiều thì gần như không đổi qua hơn hai nghìn năm. Thay đổi lớn nhất là quy mô, nhiệt độ gió, và mức độ đo đạc, điều khiển.
Làm việc quanh lò cao có những nguy hiểm gì?
Lò cao là một trong những môi trường làm việc khắc nghiệt nhất của công nghiệp. Ba mối nguy lớn:
- Khí CO: khí lò chứa nhiều CO, không màu không mùi, gây ngạt độc. Khu lò có cảm biến khí, người vào khu vực nguy hiểm phải mang máy đo cá nhân và làm theo quy trình.
- Kim loại lỏng gặp nước: gang lỏng gần 1.500 °C mà gặp nước rò rỉ từ hệ làm mát hay đất ẩm sẽ làm hơi nước giãn nở đột ngột, bắn kim loại ra xung quanh. Mọi máng, thùng, dụng cụ phải khô tuyệt đối.
- Nhiệt bức xạ: đứng gần lỗ tháo gang, sức nóng tỏa ra rất lớn ngay cả khi không chạm. Thợ mặc quần áo chịu nhiệt tráng nhôm, mũ có kính lọc, làm theo ca ngắn.
Không có cách nào mô phỏng an toàn một lò cao ngoài nhà máy; những video "lò cao mini" trên mạng là luyện kim nguy hiểm, không phải thí nghiệm.
Lò cao trong tương lai: còn tồn tại bao lâu?
Theo Hiệp hội Thép Thế giới, những năm gần đây khoảng 70% thép thế giới vẫn đi qua lò cao. Nhưng lò cao dùng than cốc vừa làm nhiên liệu vừa làm chất khử, nên phát thải CO₂ rất lớn. Ngành thép đang thử ba hướng chính: thu giữ CO₂ từ khí lò; thay một phần than cốc bằng khí giàu hyđrô; và bỏ lò cao, chuyển sang khử quặng trực tiếp bằng hyđrô ở thể rắn rồi nấu trong lò điện. Đường nào sẽ thắng vẫn còn để ngỏ. Phần ngành thép Việt Nam, với cả lò cao lẫn lò điện, được bàn ở danh mục Mỏ & luyện kim Việt Nam.
Ở nhiều nước, lò cao cũ đã thành bảo tàng: khu Völklingen (Đức) được UNESCO công nhận Di sản Thế giới, công viên Landschaftspark Duisburg-Nord cho khách leo lên đỉnh lò cao đã nguội. Đứng trên đó, có thể hình dung dòng liệu từng đi xuống và dòng khí từng đi lên, không nghỉ, suốt nhiều năm.
Câu hỏi thường gặp
Lò cao dùng để làm gì?
Lò cao dùng để luyện quặng sắt thành gang lỏng, nhờ than cốc làm nhiên liệu và chất khử, đá vôi làm chất trợ dung. Gang sau đó được đưa sang lò thổi ôxy luyện thành thép. Phần lớn thép thế giới vẫn đi theo con đường này.
Nhiệt độ trong lò cao là bao nhiêu?
Nhiệt độ thay đổi theo vùng: khoảng 100–250 °C ở miệng lò, 400–900 °C ở vùng khử gián tiếp, khoảng 1.100–1.300 °C ở vùng hoá mềm, và trên 2.000 °C trước mắt gió. Gang lỏng ra khỏi lò khoảng 1.450–1.500 °C.
Vì sao lò cao phải chạy liên tục?
Vì nếu dừng đột ngột, gang và xỉ trong nồi lò đông cứng thành khối rất khó phá, và lớp gạch chịu lửa bị nứt do co giãn. Lò cao chạy liên tục suốt một chiến dịch 15–20 năm rồi mới dừng hẳn để xây lại lớp lót.
Đá vôi có vai trò gì trong lò cao?
Đá vôi phân huỷ thành vôi, kết hợp với silic và các tạp chất khác trong quặng thành xỉ chảy loãng. Xỉ nổi trên gang và được tháo ra riêng. Không có chất trợ dung, tạp chất sẽ bít lò và làm gang bẩn.
Xỉ lò cao dùng để làm gì?
Xỉ lò cao làm nguội nhanh thành hạt có thể nghiền mịn làm phụ gia xi măng, giúp bê tông bền hơn và giảm lượng clinker. Xỉ nguội chậm dùng làm vật liệu nền đường. Nhờ vậy phần lớn xỉ lò cao được tận dụng.
